De theoretische notie van een 'kwantumwarmtemotor' bestaat al enkele decennia. Het werd ongeveer zestig jaar geleden voor het eerst geïntroduceerd door Scovil en Schulz-DuBois, twee natuurkundigen van Bell Labs die een analogie trokken tussen masers op drie niveaus en thermische machines.

In de jaren die volgden, andere onderzoekers hebben een verscheidenheid aan theorieën ontwikkeld die voortbouwen op de ideeën van Scovil en Schulz-DuBois, voorstellen van thermodynamische cycli op kwantumschaal introduceren. Zeer onlangs, natuurkundigen zijn begonnen met het testen van een aantal van deze theorieën in experimentele settings.

Een van deze experimenten werd uitgevoerd door een team van onderzoekers van de Universiteit van Waterloo, Universidade Federal do ABC en Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, die met succes een spin-kwantumwarmtemotor demonstreerde in een laboratoriumomgeving. hun papier, gepubliceerd in Natuurkunde beoordelingsbrieven , schetst de implementatie van een warmtemotor op basis van een spin-1/2-systeem en nucleaire magnetische resonantietechnieken.

"De zogenaamde 'kwantumthermodynamica' is momenteel in ontwikkeling, "Roberto Serra, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Dit opkomende veld wordt ook geassocieerd met ontwikkelingen in de kwantumtechnologie, die een soort nieuwe industriële revolutie op nanoschaal belooft met ontwrichtende apparaten voor berekeningen, communicatie, sensoren, enzovoort."

In hun experiment hebben Serra en zijn collega's hebben met succes een proof-of-principle kwantumwarmtemotor geïmplementeerd met behulp van een nucleaire spin in een chloroform-molecuul en nucleaire magnetische resonantietechnieken. De onderzoekers manipuleerden specifiek de kernspin van een koolstof 13-isotoop met behulp van een radiofrequentieveld, uiteindelijk het produceren van een Otto-cyclus (d.w.z. de thermodynamische cyclus die in de meeste motoren wordt gebruikt).

"Het energieverschil tussen de twee mogelijke kernspintoestanden (laten we zeggen op en neer) werd verhoogd en verlaagd, vergelijkbaar met een zuigerexpansie en compressie in een automotor, " legde Serra uit. "Onder bepaalde voorwaarden, de kernspins in het molecuul kunnen warmte van/naar radiogolven absorberen en afgeven."

Energiefluctuaties spelen een cruciale rol in het kwantumscenario waar Serra en zijn collega's zich op richtten. Het meten van deze fluctuaties in een thermodynamische cyclus, echter, is een uiterst uitdagende taak, die de onderzoekers verrassend konden voltooien. Ze ontdekten dat bij het uitvoeren van een kwantum Otto-cyclus op maximaal vermogen, hun kwantumwarmtemotor zou een efficiëntie voor werkextractie van η≈ 42% kunnen bereiken, die zeer dicht bij de thermodynamische limiet ligt (η =44%).

"In het huidige experiment we hebben alle energieschommelingen in arbeid en warmte kunnen karakteriseren, naast de onomkeerbaarheid op de kwantumschaal, " John Peterson, een van de co-auteurs van de studie, vertelde Phys.org. "Snelle werking van onze moleculaire machine produceert overgangen tussen de toestanden van spin-energie, die verband houden met wat we 'kwantumwrijving' noemen, waardoor de prestaties afnemen. Dit soort wrijving wordt ook geassocieerd met een toename van entropie. Anderzijds, een zeer langzame werking (die de kwantumwrijving vermindert) zal niet een aanzienlijke hoeveelheid onttrokken vermogen leveren. Dus, het beste scenario is om een ​​bepaalde hoeveelheid vermogen te verzoenen met lage niveaus van kwantumwrijving of entropieproductie, op een vergelijkbare manier als wat moderne techniek doet in de motoren van auto's."

De studie uitgevoerd door Serra en zijn collega's is een van de eerste die experimenteel een proof-of-concept spin-quantumwarmtemotor demonstreert. Deze proof-of-concept-warmtemotor zou uiteindelijk kunnen bijdragen aan toekomstige studies die de werking en het potentieel van kwantumthermische machines onderzoeken.

"Bij ons experiment de kleine spinmotor bereikt bij maximaal vermogen een efficiëntie die dicht bij zijn thermodynamische limiet ligt, wat veel beter is dan wat automotoren tegenwoordig kunnen doen, " zei Serra. "De kwantumspinmotor zou in de praktijk niet erg nuttig zijn, omdat het geproduceerde werk een zeer kleine hoeveelheid energie aan radiogolven zou leveren. Het zou alleen voldoende zijn om nog een kernspin te veranderen. We zijn meer geïnteresseerd in het meten hoeveel energie het verbruikt, hoeveel warmte het afvoert, en hoeveel entropie wordt geproduceerd tijdens bedrijf."

In hun toekomstige werk, Serra en zijn collega's hopen ook manieren te vinden om de werking van kleine kwantumthermische machines te optimaliseren, hun effectiviteit aan te tonen in echte experimenten. Dit zou uiteindelijk kunnen helpen om geavanceerdere kwantumkoelkasten te bouwen die in nieuwe kwantumcomputers kunnen worden geïmplementeerd.

© 2019 Wetenschap X Netwerk